基于视觉的空间目标位姿测量装置和方法制造方法及图纸

一种基于视觉的空间目标位姿测量装置和方法，该装置电控位移台、图像采集设备、综合信息处理平台三个部分组成；方法由双目图像基于２Ｄ平面靶标的摄像机标定模块、双目图像的特征点的提取模块、双目图像特征点的匹配模块、姿态参数测量模块四个模块组成。该装置和方法通过综合信息处理控制电控位移台和其上的ＣＣＤ摄像机的运动，运动中的ＣＣＤ摄像机向信息处理平台的高速计算机传输双目图像，高速计算机经过一系列的信息处理过程（主要为图像处理过程），计算出向空间目标逼近靠拢过程中空间目标相对位置和姿态参数，再把经过信息处理得出的空间目标的参数和电控位移台的运动参数进行比对，验证测量结果的正确性及测量精度分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，尤其指一种模式识别与智能控 制、追踪飞行器向空间目标逼近靠拢过程中的跟踪、图像处理与空间目标运动参数计算的装 置和方法，通过对向空间目标逼近靠拢过程中一系列信息处理过程(主要为图像处理过程)， 实现了对空间目标运动的参数的测量，属于信息处理
(二)
技术介绍
卫星预警的研究工作，主要集中在远距离段对弱小空间目标的远距离及时发现、预警的 需求上，研究的重点是针对空间飞行器中段的空间目标进行检测跟踪(这时空间目标的可见 光、红外特性相对于主动段依然较弱，信噪比低)，研究空间飞行器的成像条件与成像特点 对空间目标精确跟踪的影响。对于远段、中段的空间目标识别跟踪的研究，也取得了重要进展。对于近距离空间目标空间目标特征提取、姿态识别和测量方面的研究，业者做了大量 工作，取得了一定研究成果。研究工作主要集中在远距离段对弱小空间目标的远距离及时发现、研究的重点是针对空 间飞行器中段的空间目标进行检测跟踪。对于远段、中段的空间目标识别跟踪，已在复杂背 景下空间目标检测识别、空间目标和背景建模、空间目标轨迹预测及跟踪等方面取得了很多 重要的成果。航天器的交会对接是关键技术之一，而此过程中近距离空间目标的特征提取跟 踪、姿态识别和动态测量是影响任务成败的关键。(三)
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种，以实现在追踪飞 行器向空间目标逼近靠拢过程中，通过双目成像的原理和图像处理的方法，对空间目标的位 置和姿态参数进行精确计算。本专利技术的技术方案为本专利技术一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，由以下三部分构成电控位移台、图像采集设备、综合信息处理平台。 1)图像采集设备-该图像采集设备主要包括两个CCD (Charge Coupled Device,即电荷藕合器件图像传感器)摄像机。CCD摄像机的具体参数如下 KP-F200SCL摄像机参数为争分辨率(有效像素)1628X 1236* CCD面积7.16X5.44腿 1/1.8-inch *帧频15fps參 接□ Mini CamraLink* 尺寸29(W)X 29(H) X 29(D) *重量约53g*其它lObits输出，串口控制支持，工作温度0—40'C2) 电控位移台该电控位移台是由六自由度高精度数字伺服位移台、位移台控制箱组成。 该六自由度高精度数字伺服位移台是图像获取装置的支撑平台，可根据位移台控制箱 的控制指令进行六自由度的运动，实现对双目测量过程中测量结果的验证。该位移台控制箱通过串口向六自由度高精度数字伺服位移台发送控制指令。电控位移台的参数如下* X,Y轴±0.35m* Z车由土0.5m*三轴转动范围±45° *基线长度调整0.2~0.5m *视轴夹角±45°* X,Y,Z轴位移精度土O.lmm *三轴转动精度±0.05°*基线长度调整精度0.01mm *视轴夹角调整精度±0.05°3) 综合信息处理平台该综合信息处理平台是由信息接口、伺服控制处理单元、高速计算机组成。高速计算机接收从两个CCD摄像机传入的左右图像信息，完成对左右两幅双目图像中的一系列信息处理过程，包括空间目标特征的提取、特征匹配、特征跟踪、运动参数计算、 三维重建等算法的实现。伺服控制处理单元能向电控位移台发出控制命令，使六自由度高精度数字伺服位移台 根据输入的指令进行运动。基于视觉的空间目标位姿测量装置各组成部分之间的关系详述如下 基于视觉的空间目标位姿测量装置的连接关系为图像采集设备(两个CCD摄像机) 分别安装在电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台支架两端，相对位置可以进行调 解，同时可随高精度数字伺服位移台一起运动；图像采集设备和电控位移台都与综合信息 处理平台相连，实现图像采集设备所获取的图像向信息处理平台的传输和信息处理平台对 伺服平台的控制指令的传输。本专利技术一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，其工作流程为首先通过综合信息处理 平台的伺服控制处理单元向电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台发送指令，使其按 照设定好的程序向空间目标逼近靠拢；同时，在运动的过程中，安装在电控位移台的六自由 度高精度数字伺服位移台的图像采集设备不断的釆集运动过程中的空间目标双目序列图像， 这些采集到的图像传给信息处理平台的高速计算机，高速计算机通过一系列的信息处理过程 (主要为图像处理过程)，计算出向空间目标逼近靠拢过程中空间目标具体的相对位置和姿 态参数，最后再把经过图像处理计算过程得出的空间目标的参数和电控位移台的六自由度高 精度数字伺服位移台的运动参数进行比对，用以验证测量结果的正确性以及后续的测量精度 分析。本专利技术一种基于视觉的空间目标位姿测量方法，如图5所示，其步骤是-1)选用双目图像基于2D平面靶标的摄像机标定的方法，该方法为双目图像基于2D平面靶标的摄像机标定模块这里所采用的标记算法为张正友等人提出的基于2D平面靶标的摄像机标定方法。 该方法中，摄像机在两个以上不同的方位拍摄一个平面靶标，摄像机和于2D平面靶标 都可以自由移动，不需要知道运动参数。在标定的过程中，假设摄像机的内部参数始终不变， 无论摄像机从任何角度拍摄靶标，摄像机内部的参数都为常数，只有外部参数发生变化。经过该标定以后，就可以根据标定的结果进行双目图像的极线校正。这是一个关键的步 骤，对接下来的图像的匹配的速度和准确度的提高都有很重要的作用，也就是后来要提到的极限约束。2)设计双目图像的特征点的提取模块图像中的角点是指图像中具有高曲率的点，提取角点的方法大致分为两类 一类是提取 图像的边缘，将边缘上曲率最大的点或者边缘的交叉点作为角点； 一类是直接利用图像的灰 度计算灰度分布的曲率，以最大曲率的点作为角点。本实验采用的Harris角点提取的方法是 直接利用图像灰度信息来探测角点的方法。Harris算子的表达式如下<formula>formula see original document page 7</formula>其中 .&为X方向的梯度；gy为y方向的梯度；GCs)为高斯模板；(S)为巻积操作；/为每点的兴趣值；Det为矩阵的行列式；Trace为矩 阵的迹；k为默任常数。对操作的灰度图像的每个点，计算该点在横向和纵向的一阶导数，以及二者的乘积。这样 可以得到每个像素对应的属性值分别为g,, g^和^&，最后计算每个点的兴趣值/。Harris算法认为，特征点是局部范围内的极大兴趣值对应的象素点。因此，在计算完各 点的兴趣值后，要提取出原始图像中的所有局部兴趣值最大的点。实际操作中，可以依次取 出每个像素的8邻域中的8个像素，从中心像素和这8个像素中提出最大值，如果中心点像 素的兴趣值就是最大值，则该点就是特征点。在提取特征点时，凡满足/大于某一阈值r的象素点均可被认为是特征点。同时可通过一些限制因素来控制特征点的选取。特征提取的有效性在50%至65%之间，造成特征提取失效的原因主要有*由于双目图像对存在视差，在成像中存在遮挡等现象，在一个视角所成像的空间目标特征在另一视角中没有成像；或是由于光照的不同，同一特征在图像对中所表现的灰度特征不同，从而所得到的角点提取结果不同。 *由于角点提取算法本身固有的特点，在邻域内根据图像灰度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于视觉的空间目标位姿测量装置，其特征在于：它是由以下三部分构成：电控位移台、图像采集设备、综合信息处理平台；该电控位移台和综合信息处理平台分别由六自由度高精度数字伺服位移台、位移台控制箱和信息接口、伺服控制处理单元、高速计算机组成；其中，图像采集设备主要包括两个ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ，即电荷藕合器件图像传感器）摄像机；六自由度高精度数字伺服位移台是图像获取装置的支撑平台，可根据位移台控制箱的控制指令进行六自由度的运动，实现对双目测量过程中测量结果的验证；高速计算机接收从两个ＣＣＤ摄像机传入的左右图像信息，完成对左右两幅双目图像中的一系列信息处理过程，包括空间目标特征的提取、特征匹配、特征跟踪、运动参数计算、三维重建等算法的实现；伺服控制处理单元能向电控位移台发出控制命令，使六自由度高精度数字伺服位移台根据输入的指令进行运动；　该基于视觉的空间目标位姿测量装置各组成部分之间的关系为：图像采集设备（两个ＣＣＤ摄像机）分别安装在电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台支架两端，相对位置可以进行调解，同时可随高精度数字伺服位移台一起运动；图像采集设备和电控位移台都与综合信息处理平台相连，实现图像采集设备所获取的图像向信息处理平台的传输和信息处理平台对伺服平台的控制指令的传输；　该基于视觉的空间目标位姿测量装置的工作流程为：首先通过综合信息处理平台的伺服控制处理单元向电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台发送指令，使其按照设定好的程序向空间目标逼近靠拢；同时，在运动的过程中，安装在电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台的图像采集设备不断的采集运动过程中的空间目标双目序列图像，这些采集到的图像通过串口传给信息处理平台的高速计算机，高速计算机通过一系列的信息处理过程（主要为图像处理过程），计算出向空间目标逼近靠拢过程中空间目标具体的位置和姿态参数，最后再把经过图像处理计算过程得出的空间目标的参数和电控位移台的六自由度高精度数字伺服位移台的运动参数进行比对，用以验证测量结果的正确性以及后续的测量精度分析。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张弘，贾瑞明，穆滢，李璐，王磊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]